高考物理总复习实验4验证牛顿运动定律课件PPT

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一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理规律。2.探究加速度与力、质量的关系。3.掌握利用图象处理数据的方法。二、实验原理1.保持质量不变,探究加速度跟合外力的关系。2.保持合外力不变,探究加速度与质量的关系。3.作出a-F图象和a- 图象,确定其关系。三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。
四、实验步骤1.称量质量——用天平测量小盘的质量m1和小车的质量m2。2.安装器材——按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。
3.平衡摩擦力——在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。
4.测量加速度(1)保持小车的质量不变,把小车靠近打点计时器,挂上小盘和砝码,先接通电源,再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑,打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力,即为小车所受的合力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入表(一)中。改变小盘内砝码的个数,并多做几次。(2)保持小盘内的砝码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量m0,并由纸带计算出小车对应的加速度,并将所对应的质量和加速度填入表(二)中。改变小车上砝码的个数,并多做几次。
五、数据处理1.计算加速度——先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。2.作图象找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图象,如果图象是一条过原点的倾斜直线,便证明加速度与作用力成正比;根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量m0,建立直角坐标系,描点画a- 图象,如果图象是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。
六、误差分析1.测量误差(1)质量的测量。(2)打点间隔距离的测量。2.操作误差(1)拉线或纸带与木板不平行。(2)倾斜角度不当,平衡摩擦力不到位。3.原理误差本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系统误差。
七、注意事项1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力时,不要将悬挂小盘的细绳系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动。2.不重复平衡摩擦力:整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。3.实验条件:每条纸带都必须在满足小车的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出,只有如此,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。4.一先一后一按住:改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,先接通电源,再放开小车,且在小车到达定滑轮前按住小车。5.作图:作图时,两坐标轴的比例要适当,使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点尽可能对称地分布在所作直线两侧。
平衡摩擦力后,改变小车和砝码的总质量,为什么不需要再次平衡摩擦力?提示：设平衡摩擦力时,长木板与水平桌面的夹角为θ,小车和砝码总质量为m,总是有mgsin θ=μmgcs θ,无论m多大,等式总是成立,所以不需要再次平衡摩擦力。
实验原理与操作例1图甲为验证牛顿第二定律的实验装置示意图。沙和沙桶的总质量为m,小车和砝码的总质量为m0。实验中用沙和沙桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小。
(1)实验中,为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力,先调节长木板一端滑轮的高度,使细线与长木板平行。接下来还需要进行的一项操作是　　　　(填正确答案标号)。 A.将长木板水平放置,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电,调节m的大小,使小车在沙和沙桶的牵引下运动,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B.将长木板的另一端垫起适当的高度,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,撤去沙和沙桶,给打点计时器通电,轻推小车,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C.将长木板的另一端垫起适当的高度,撤去纸带以及沙和沙桶,轻推小车,观察判断小车是否做匀速运动
(2)实验中要进行质量m和m0的选取,以下最合理的一组是　　　　(填正确答案标号)。 A.m0=200 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gB.m0=200 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gC.m0=400 g,m=10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gD.m0=400 g,m=20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g
特别提醒1.实验操作步骤注意事项(1)平衡小车的滑动摩擦力时,沙桶不能拴在小车上。(2)改变小车质量时,不需要重新平衡摩擦力。(3)实验过程中,应先接通电源,再放开小车。2.实验原理的理解(1)平衡小车摩擦力后,细绳的拉力即为小车的合外力。(2)只有满足沙桶及桶内沙的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量时,细绳的拉力才近似等于沙桶及桶内沙的总重力。
数据处理与误差分析例2一小组的同学用如图甲所示装置做探究物体质量一定时,加速度与力的关系的实验。
(1)下列说法正确的有　　　　　。 A.平衡摩擦力时,用细线一端挂空砝码盘,另一端与小车相连,将木板适当倾斜,使小车在木板上近似做匀速直线运动B.每次改变砝码及砝码盘总质量之后,应重新平衡摩擦力C.应让砝码及砝码盘总质量远大于小车及里面钩码的总质量D.砝码及砝码盘总质量远小于小车及里面钩码总质量时,可以近似认为小车受到的拉力等于砝码及砝码盘的重力
(2)图乙a为实验中按规范操作打出的一条纸带的一部分,从比较清晰的点迹起,在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E,相邻两计数点之间有4个计时点没有标出,用刻度尺分别测量出A点到B、C、D、E的距离如图乙所示。已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上。则此次实验中小车运动加速度的测量值a=　　　　　　 m/s2。(结果保留两位有效数字) 
(3)某同学平衡摩擦力后,改变砝码盘中砝码的质量,分别测量出小车的加速度a,以砝码盘及砝码的重力F为横坐标,以小车的加速度a为纵坐标,得到如图乙b所示的a-F图线。图线不通过坐标原点的主要原因是　　。 
规律总结1.实验数据的处理方法——图象法、化曲为直法(1)探究加速度与力的关系以加速度a为纵坐标、F为横坐标,根据测量的数据描点,然后作出图象,看图象是否是通过原点的直线,就能判断a与F是否成正比。(2)探究加速度与质量的关系以a为纵坐标、m为横坐标,根据各组数据在坐标系中描点,将会得到如图甲所示的一条曲线。由图线只能看出m增大时a减小,但a与m具体是什么关系,不易得出。若以a为纵坐标、 为横坐标,将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线,据此可判断a与m成反比。
(3)方法总结利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法。在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比,那么,x就应与 成正比。因为在处理数据时,判断一条图线是否为正比例函数图象比判断其是否为反比例函数图象要简单和直观得多,所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理。
2.误差分析(1)质量的测量误差、纸带上点间距离的测量误差、拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差。(2)因实验原理不完善造成误差:本实验中用重物的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于重物的重力),存在系统误差。重物质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,重物质量越远小于小车的质量,误差就越小。(3)平衡摩擦力不准造成误差:在平衡摩擦力时,除了不挂重物外,其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。
实验的改进与创新以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器和实验数据的处理设置题目,或者通过实验原理的拓展来设置题目。一、实验器材的改进
二、数据测量的改进三、实验的拓展延伸以验证牛顿运动定律为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。
例3(2016·全国理综丙)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮,轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下:
(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图象,经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图(b)所示:由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。
(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n 图象。从图象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。
(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为　　　　 kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 m·s-2)。 (6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是　　　　(填入正确选项前的标号)。 A.a-n图线不再是直线B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大
解析： (3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动,满足x= at2①由图(b)知,当x=0.8 m时,t=2.00 s,代入①式解得a=0.40 m/s2
(4)描点作图a-n图线如图:
(5)对钩码与小滑车组成的系统有nmg=(m'+5m)a
解得m'=0.45 kg。(6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得nmg-μ[m'+(N-n)m]g=(m'+Nm)a
由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确。答案： (3)0.40(0.37~0.49均对)　(4)a-n图线见解析　(5)0.45(0.43~0.47均对)　(6)BC
例4图甲为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图。实验步骤如下:
甲①用天平测量物块和遮光片的总质量m0,重物的质量m,用游标卡尺测量遮光片的宽度d,用刻度尺测量两光电门之间的距离x;②调整轻滑轮,使细线水平;③让物块从光电门A的左侧由静止释放,用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间ΔtA和ΔtB,求出加速度a;④多次重复步骤③,求a的平均值 ;⑤根据上述实验数据求出动摩擦因数μ。
回答下列问题:(1)测量d时,某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图乙所示。其读数为　　　　 cm。 
特别提醒本实验还可以从以下两个方面创新(1)实验目的的创新:测木块与木板间的动摩擦因数;(2)实验器材的创新:①利用位移传感器测物体移动位移;②利用传感器测物体的速度或加速度。
1.(2016·福建宁德质检)某次探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系实验。(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带,计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1 s。根据纸带可求出小车的加速度大小为　　　　 m/s2(结果保留两位有效数字)。 
(2)保持小车质量不变,改变沙和沙桶质量,进行多次测量。根据实验数据作出了加速度a随拉力F的变化图线,如图丙所示。图中直线没有通过原点,其主要原因是　　　　　　　　　。 
(3)保持沙和沙桶质量不变,改变小车中砝码质量,进行多次测量,得到小车加速度a、质量m及其对应的 的数据如表中所示:
a.请在图丁坐标纸中画出a- 图线。丁b.根据作出的a- 图象可以得到的结论是　　　　　　　　　。 
2.某同学利用图甲所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码质量m的对应关系图,如图乙所示。实验中小车(含发射器)的质量为200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题:
(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量成　　　　　(选填“线性”或“非线性”)关系。 (2)由图乙可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是　　　　　　　　。 (3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。钩码的质量应满足的条件是　　　　　　　　　　　　。 
3.某同学用图甲所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图乙所示,图中标出了五个连续点之间的距离。
(1)物块下滑时的加速度a=　　　　　 m/s2,打C点时物块的速度v=　　　　　 m/s; (2)已知重力加速度大小为g,为求出动摩擦因数,还必须测量的物理量是　　　　　(填正确答案标号)。 A.物块的质量B.斜面的高度C.斜面的倾角